一种轻小型自动行走渠喂式喷灌机 |
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| 申请号 | CN201410731923.4 | 申请日 | 2014-12-06 | 公开(公告)号 | CN104521698A | 公开(公告)日 | 2015-04-22 |
| 申请人 | 西北农林科技大学; | 发明人 | 朱德兰; 王昌伟; 吴普特; 张林; 朱金福; 王斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种轻小型自动行走渠喂式喷灌机，包括吸 水 软管、减速驱动 电机 I、 驱动轮 、转向装置、主梁、自吸 泵 、主供水管道、桁架、低压喷头、 泡沫 挡板 、排水底 阀 、取水过滤装置、 控制器 、 太阳能 光伏发电 系统、 蓄 电池 、 施肥 装置、红外纠偏 导航系统 组成，该喷灌机集光、机、电一体化及太阳能高效利用技术于一身，其动 力 来源于清洁的太阳能，利用红外纠偏对喷灌机行走过程中的行走误差进行调节，实现机组的导航直线行走。同时，采用一种基于太阳能机械 跟踪 的 最大功率点跟踪 控制技术和基于光伏电池板固定安装的最大功率点跟踪控制技术。总之，该喷灌机不仅移动方便、省工省时、 灌溉 精度 高、节水效果好、适应性强等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种轻小型自动行走渠喂式喷灌机，包括吸水软管（3）、减速驱动电机I（4）、驱动轮（5）、转向装置（6）、主梁（7）、自吸泵（8）、主供水管道（12）、桁架（13）、低压喷头（14）、泡沫挡板（15）、排水底阀（19），所述吸水软管（3）一端与自吸泵（8）进水口连接，所述桁架（13）位于主梁（7）固定在之上，所述主供水管道（12）设置于桁架（13）顶端，且呈弧线布置，主供水管道（12）上等间距的分布有若干数量的低压喷头（14），所述泡沫挡板（15）和排水底阀（19）共两组分布于桁架（13）两端，所述驱动轮（5）安装在主梁（7）下端，所述减速驱动电机I（4）安装在驱动轮（5），所述转向装置（6）一端连接在驱动轮（5）转轴上，一端与主梁（7）连接，其特征在于：所述吸水软管（3）的另一端与置于渠内取水过滤装置（2）的吸水管道（53）连通、控制器（9）、太阳能光伏发电系统（10）、蓄电池（11）、施肥装置、红外纠偏导航系统集中分布在桁架（13）中间位置； |
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| 说明书全文 | 一种轻小型自动行走渠喂式喷灌机技术领域[0001] 本发明涉及一种农田喷灌装置，特别是一种光伏驱动轻小型自行走渠喂式喷灌机。 背景技术[0003] 目前喷灌技术正在逐步推广，有一种高塔架吊挂悬臂式喷灌机，通过塔架吊挂着悬臂，单悬臂长达百米，所有的喷头均布安装在悬臂上，悬臂借水流喷射的反作用力自转，单边悬臂加上末端喷头射程回转一周即可喷灌达到上百亩。其不足之处是设备体积大，造价高，只能固定在地块上使用，设备利用率低。 [0004] 还有，各种移动式节水喷灌设备在生产上应用也日趋广泛，如发明专利“移动式喷灌机（专利号：00204205）”，它通过装有行走轮的机架的立柱支撑安装着转盘，在转盘上卷绕着供水软管，供水软管的一端固定在转盘的卷筒上，并与转盘内的空心轴连通，其另一端通过喷枪行车架的刚性管与喷枪连通，立柱上安装的水涡轮的出水口与转盘的空心轴的轴端连通，水涡轮设有进水管接口，水涡轮的驱动链轮带动转盘的齿圈转盘转动，需要一台牵引机进行提供动力，这种结构成本高，使用不方便，管道入口水压力大，机组消耗功率大，无法智能地进行控制喷灌，并且浪费水资源。 [0005] 还有一些移动喷灌机，如专利号00265579，发明名称：行走式喷灌机，通过一个吊挂在空中轨道上的机架，利用与轨道平行固定有可由电动机牵引行走的牵引绳进行移动，它只适合在温室等小范围的环境进行工作，不利于大面积喷灌灌溉的推广实施。 发明内容[0006] 针对上述现有喷灌技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种轻小型自动行走渠喂式喷灌机，该喷灌机操作简单、机动性能强、节能环保能、智能化程度高的集光、机、电一体化及太阳能高效利用技术于一身。 [0007] 实现上述发明目的的技术方案是一种轻小型自动行走渠喂式喷灌机，包括吸水软管、减速驱动电机I、驱动轮、转向装置、主梁、自吸泵、主供水管道、桁架、低压喷头、泡沫挡板、排水底阀，所述吸水软管一端与自吸泵进水口连接，所述桁架位于主梁固定在之上，所述主供水管道设置于桁架顶端，且呈弧线布置，主供水管道上等间距的分布有若干数量的低压喷头，所述泡沫挡板和排水底阀共两组分布于桁架两端，所述驱动轮安装在主梁下端，所述减速驱动电机I安装在驱动轮，所述转向装置一端连接在驱动轮转轴上，一端与主梁连接，所述吸水软管的另一端与置于渠内取水过滤装置的吸水管道连通、控制器、太阳能光伏发电系统、蓄电池、施肥装置、红外纠偏导航系统集中分布在桁架中间位置；所述施肥装置由肥料桶、计量泵、取样排气阀、加肥控制阀、安全阀、背压阀、真空压力表、脉冲阻尼器、搅拌器驱动电机、肥料桶、液位标记管、搅拌轮、底阀、过滤器、及传动轴组成，所述搅拌器驱动电机固定在肥料桶顶端中央，通过传动轴与置位肥料桶内的搅拌轮连接，所述液位标记管连通在肥料桶外面，所述加肥料桶底部安装有底阀，所述计量泵进液口与肥料桶底部连通，出液口分两路，一路通过安全阀与肥料桶顶部连通，一路经管道顶端的脉冲阻尼器与取样排气阀和加肥控制阀连通，加肥控制阀出口直接接在自吸泵吸水口管道端； 所述取水过滤装置它采用滚动方式，由两组对称分组的四个驱动轮Ⅱ、过滤网、反冲洗管道、吸水管道及底板组成，所述四个驱动轮Ⅱ安装在底板下，两个过滤网固定在底板上边，两个过滤网之间通过吸水管道连通，所述反冲洗管道一端分两路一端连接在过滤网两端，一端连接在自吸泵出口压力管道上； 所述红外纠偏导航系统由红外对射红外线模块发射端、红外对射红外线模块接收端、无线信号发射器组成； 所述太阳能光伏发电系统给蓄电池充电、蓄电池给控制器和所有电机供电，减速驱动电机I与控制器内的电气控制装置的调速控制模块连接。 [0008] 采用上述技术方案，本发明的技术效果有：1）采用太阳能驱动，太阳能资源清洁可再生，通过吸收日照辐射能量，将其转化为电能，为整个系统提供动力电源，无需外加动力来源，也无需市电供给和布埋电线，能适应野外及无电力到达地区的推广使用，用户使用方便。 [0009] 2）采用一种基于太阳能机械跟踪的最大功率点跟踪控制技术和基于光伏电池板固定安装的最大功率点跟踪控制高效利用技术，充分利用太阳能，减少非再生能源消耗，光伏组件安装上采用机械式双轴跟踪结构，可对太阳光线进行二维追踪，保持太阳能光伏组件采光面始终与太阳光线垂直，同时控制算法上保证太阳能光伏组件始终工作在最大功率点处，最大限度的提供输出功率，提高太阳能板转换效率，有效解决光伏发电效率低的问题。 [0010] 3）利用红外对射红外线模块和调速控制模块实现机组的自动行走导航纠偏，无需外力牵引，无需设置轨道就能实现机组的直线行走，结构简单，移动方便，自动化程度高，人力投入少。 [0011] 4）加压水泵放置于喷灌机桁架之上，通过在大田中修建引水渠实现供水，使供水入口压力减小，极大的降低了机组的消耗功率。 [0012] 5）水泵采用无刷直流电机代替传统的三相异步电机驱动，无需大功率三相逆变器，结构简单，整机重量减轻；电力转换中间环节的减少，损耗功率减少，总利用效率提高；调速性能稳定，动态响应快。 [0013] 6）水泵运行采用转速调节与闭阀调节联合调压方式，压力流量稳定，机组喷洒质量提高，喷洒均匀系数提高。 [0015] 图1为本发明自动行走渠喂式喷灌机的主视图；图2为本发明自动行走渠喂式喷灌机的俯视图； 图3为本发明自动行走渠喂式喷灌机工作区域示意图； 图4为本发明自动行走渠喂式喷灌机的独立太阳能光伏发电系统结构示意图； 图5为本发明自动行走渠喂式喷灌机的太阳能机械跟踪系统结构示意图； 图6为本发明自动行走渠喂式喷灌机的施肥装置的结构示意图； 图7为本发明自动行走渠喂式喷灌机的取水过滤装置的结构示意图； 图8为本发明自动行走渠喂式喷灌机的机械跟踪控制系统的控制流程。 具体实施方式[0016] 图1和图2分别从主视图和俯视图的角度给出了本发明轻小型自动行走渠喂式喷灌机的结构图，包括吸水软管3、减速驱动电机I4、驱动轮5、转向装置6、主梁7、自吸泵8、主供水管道12、桁架13、低压喷头14、泡沫挡板15、排水底阀19，所述吸水软管3一端与自吸泵8进水口连接，所述桁架13位于主梁7固定在之上，所述主供水管道12设置于桁架13顶端，且呈弧线布置，主供水管道12上等间距的分布有若干数量的低压喷头14，所述泡沫挡板15和排水底阀19共两组分布于桁架13两端，所述驱动轮5安装在主梁7下端，所述减速驱动电机I4安装在驱动轮5，所述转向装置6一端连接在驱动轮5转轴上，一端与主梁7连接，其特征在于：所述吸水软管3的另一端与置于渠内取水过滤装置2的吸水管道53连通、控制器9、太阳能光伏发电系统10、蓄电池11、施肥装置、红外纠偏导航系统集中分布在桁架13中间位置。 [0017] 所述施肥装置16由肥料桶44、计量泵36、取样排气阀37、加肥控制阀38、安全阀39、背压阀40、真空压力表41、脉冲阻尼器42搅拌器驱动电机43、肥料桶44、液位标记管 45、搅拌轮46、底阀47、过滤器48、及传动轴49组成，所述搅拌器驱动电机43固定在肥料桶 44顶端中央，通过传动轴49与置位肥料桶44内的搅拌轮46连接，所述液位标记管45连通在肥料桶44外面，所述加肥料桶44底部安装有底阀47，所述计量泵36进液口与肥料桶 44底部连通，出液口分两路，一路通过安全阀39与肥料桶44顶部连通，一路经管道顶端的脉冲阻尼器42与取样排气阀37和加肥控制阀38连通，加肥控制阀38出口直接接在自吸泵8吸水口管道端。 [0018] 所述取水过滤装置2它采用滚动方式，由两组对称分组的四个驱动轮Ⅱ50、过滤网51、反冲洗管道52、吸水管道53及底板54组成，所述四个驱动轮Ⅱ50安装在底板54下，两个过滤网51固定在底板54上边，两个过滤网51之间通过吸水管道53连通，所述反冲洗管道52一端分两路一端连接在过滤网51两端，一端连接在自吸泵8出口压力管道上。 [0019] 所述红外纠偏导航系统由红外对射红外线模块发射端21、红外对射红外线模块接收端22、无线信号发射器23组成；所述太阳能光伏发电系统10给蓄电池11充电、蓄电池11给控制器9和所有电机供电，减速驱动电机I4与控制器9内的电气控制装置的调速控制模块连接。 [0020] 所述的主梁7底部安装有四个驱动轮5，左右主动轮分别与减速驱动电机I4相连，减速驱动电机I4与控制柜9内的电气控制装置的调速控制模块连接，通过调控电机转速的快慢实现行走纠偏，四个转轮上部装有转向装置6，转向装置由电动伸缩管组成，可调节本喷灌机旋转90度，实现从前行到左右横向行走的调节。 [0021] 所述太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、MPPT太阳能控制器、蓄电池及应急电源等组成，应采用独立结构，应急电源可包括临时市电或柴油发电机组，为满足喷灌机各负载的工作要求，可通过连入DC/DC或DC/AC电压转换装置实现对太阳能输出直流电的转换。 [0022] 所述太阳能光伏发电系统最大功率跟踪控制装置，它由机架26、驱动电机Ⅱ27、减速箱28、推力轴承29、伸缩杆30、水平转动轴31、控制箱Ⅱ32、光线检测传感器33、风速传感器34及太阳能板35组成，太阳能板35优先采用高转换效率的单晶硅太阳能板，所述驱动电机Ⅱ27和减速箱28安装于机架26上，减速器28输出轴通过涡轮蜗杆与水平转动轴31连接，所述的伸缩杆30一端固定在水平转动轴31上，一端固定在太阳能板35固定架之上，所述光线检测传感器33和风速传感器34分别安装于太阳能板35表面，控制箱Ⅱ32安装于机架26侧面，所述风速传感器34用于检测当前风速值，所述光线检测传感器33除白天检测太阳光线外，也用于检测当前光线强度值。 [0023] 基于太阳能机械跟踪的最大功率点跟踪控制技术的实现是采用太阳能追日技术，太阳能板35的方位角的调节通过固定于机架26上的驱动电机Ⅱ27经减速箱28减速后带动水平转动轴31在水平方向实现360°旋转跟踪，太阳能板35的俯仰角的调节通过伸缩杆30的收缩控制实现，当风速超过设定值时，控制器会根据风速传感器34检测值发出太阳能板35水平放置动作信号，当光线强度值超过系统设定光强值，系统自动从休眠状态转为工作状态，否则，一直保持休眠省电状态，直至光线强度值到达要求。 [0024] 基于光伏电池板固定安装的最大功率点跟踪控制技术的实现是通过安装在控制箱Ⅱ32内的MPPT太阳能控制器内置跟踪算法实现，其算法可包括基于参数选择方式的间接控制法、基于采样数据的直接控制法及基于现代控制理论的人工智能控制方法，其中常用的最大功率跟踪的实现方法除了开环的查表法、比例法，景点的MPPT方法主要有干扰观测法、电导增量法、模糊逻辑控制法、神经元网络控制法及最优梯度法等。 [0025] 所述的取水过滤装置，它采用滚动方式，而不是浮动方式，通过增加水面扰动来防止过滤网51的堵塞。 [0026] 所述的自吸泵，采用无刷直流电机进行驱动，电机的调速控制由相应的空间矢量控制无刷电机控制器完成，水泵运行采用转速调节与闭阀调节联合调压方式。 [0027] 图3为本发明自动行走渠喂式喷灌机工作区域示意图，所述红外纠偏导航系统的所有设备均提前固定于大田20上喷灌机喷洒作业条带上，红外对射红外线模块发射端21和红外对射红外线模块接收端22布置于作业条带两端，当喷灌机在起始位置时，机组行走正常，纠偏导航不启动，当喷灌机处于偏离直线位置25时，纠偏导航启动。 [0028] 参见图4所示独立太阳能光伏发电系统结构示意图，太阳能板35通过吸收日照辐射能量，利用光伏效应将其转化为直流电输出，通过MPPT太阳能控制器实现对蓄电池11的重放电管理，在光照充足时，将多余的电量储存在蓄电池11中，当光照不足时，通过MPPT太阳能控制器对喷灌机组系统放电。正常工作时，K1闭合K2断开，机组由太阳能供电，输出的直流电一部分直接用于驱动机组自走驱动减速驱动电机I4，一部分通过直流无刷电机控制器的逆变控制驱动自吸泵8的工作，向主供水管道12提供喷头工作所需的一定有压水。当太阳能光伏发电系统10或蓄电池11电量不足时，通过将开关K1、K2的切换，临时由应急柴油发电机组或市电供电等应急电源，保障机组正常作业。 [0029] 参见图5、图8所示，跟踪系统的控制过程及原理如下：由控制箱Ⅱ32中的光线检测传感器33采集太阳与太阳能电池板35之间水平和垂直方向的位置偏差信号和光强信号，并反馈给控制箱Ⅱ32中的数据处理及控制器，经过数据处理和放大，根据太阳光照规律判断出下一步太阳能电池板35的移动角度，并向电机驱动电路发出相应的控制命令，随后再触发相关的继电开关，使驱动电机Ⅱ27和伸缩杆30带动机械传动机构，以缓慢的速度把太阳能电池板35朝向角度移动到准确的理想定位上去，从而实现跟踪太阳光照的目的。为了节省驱动能量，电动机选用小能耗直流电动机，并要求自动跟踪系统除了跟踪太阳之外，还能通过光线检测传感器33检测的光强高低来判断天色的变化，控制驱动电机Ⅱ27和伸缩杆30间歇性工作，即在清晨光强达到一定量值后开始跟踪，光强低于某一量值时停止跟踪，到了夜间系统可以自动关闭主回路电源。为避免大风对光伏组件的危害，通过风速传感器34对风速进行检测，若风速过大，则电动伸缩杆30收缩，自动减小光伏组件迎风面。 [0030] 参见图1、图6及图7，喷灌作业时，首先检测供水渠1中水位是否符合开泵要求，当液位符合要求时，打开自吸泵8，自吸泵通过吸水软管3将水吸入自吸泵8加压室内，经水泵加压后，将压力水输送到主供水管道12中，通过安装在主供水管道12上均匀分布的低压喷头14将水均匀地喷洒在田间，实现喷灌的功能。在喷洒作业的过程当中，为防止供水渠1中的杂物进入输水管道系统，堵塞低压喷头14，吸水软管3进水口处连接有取水过滤装置 2，其运动由吸水软管3的拖动随喷灌机组滚动前行，且为防止取水过滤装置2在静水位中长时间工作，杂物附着在过滤网51表面，影响吸水效果，通过从水泵出水管道引出的反冲洗管道52将压力水引向过滤网51内，对过滤网51表面进行冲刷，同时增加水面扰动，解决吸水口取水堵塞问题。 [0031] 为实现灌溉施肥的一体化操作，可通过安装在喷灌机桁架13上的施肥装置16同步实现施肥。施肥罐在使用时，首先对泵的连接线路及密封固定等进行检查，检查没问题时，向施肥装置16的罐体内加入水和肥，水和肥在搅拌器驱动电机的带动下，通过连接在传动轴49上的搅拌轮46的搅拌，始其水肥混合均匀，浓度一致，此时应打开进出管路上的阀门38，只有在进出管路畅通无阻的情况下才能启动电动机，肥液通过隔膜式计量泵36主轴和偏心轮的回转运动，由偏心轮带动挺杆在导筒内作往复运动。连同膜片，通过单向阀的作用使泵腔内逐渐形成真空，吸入阀打开，吸入液体；当膜片向前死点移动时，此时吸入阀关闭，排出阀打开，液体在膜片的推动下排出。在泵通过调节一定的行程的往复顺还工作形成连续有压力、定量的排放液体，加压后的肥液从加肥控制阀38注入到自吸泵8叶轮进水口处，通过自吸泵8叶轮的旋转搅拌稀释而跟随压力水经低压喷头14喷出。施装置16的罐体内的液位可通过安装在罐体表面上的液位标记管45指示，其施肥量的控制通过调节计量泵36旋转调节手轮来实行调节挺杆行程，从面改变膜片伸缩距离来达到改变流量的目的，调节过程中流量值可参考真空压力表标定。为保证施肥装置的安全工作，管路上安装有安全阀39。 [0032] 本发明的自动行走渠喂式喷灌机在工作过程中，低压喷头14工作压力的调节通过旋转无刷直流电机控制器上的电位器，从而实现自吸泵8的调速运行，若调速运行仍不能满足工作要求时，可联合采用阀门调节方式。喷灌机在行走过程当中，待喷洒大田20作业条带四个顶点均安装有红外对射红外线模块，并在红外对射红外线模块接收端22安装有无线信号发射器23，喷灌机从起始位置24保持直线行走时，位于喷灌臂左右两端的泡沫挡板15，不阻挡红外对射红外线模块接收端24和红外对射红外线模块发射端25之间的信号传输，无线信号反射器23不工作；若喷灌机偏离直线行走，例如行走至喷灌机偏离直线位置25时，喷灌臂左侧的泡沫挡板15阻挡了红外对射红外线模块接收端24和红外对射红外线模块发射端25之间的信号传输，此时无线信号发射器23工作，向控制箱I9内的调速控制模块发出调速信号，调速控制模块连接至减速驱动电机4，并接收无线信号发射器23的信号，通过接收无线信号发射器23的无线信号，判断此时应调节喷灌机左侧车轮的电机加速，实现喷灌机行走速度的调节和自动纠偏。 [0033] 本发明的自动行走渠喂式喷灌机完成一个划分条带的喷洒作业后，通过连接在车轮旋转轴上的转向装置6，驱动车轮的做90°旋转，实现机组在地头横向平行，按照划分好的条带，直至喷洒完整块大田，灌溉作业结束后，关闭水泵及机组。为防止在冬天管道结冰冻裂事故的发生，可打开主供水管道12两端的排水底阀19以及加肥桶44底部的底阀47，将管道及桶体的残余水肥排除干净。 |
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